MATLAB的Simulink的用户自定义模块

Simulink 提供的直接可用模块毕竟是有限的,不可能满足广大用户的所有需求,所以它提供了一系列的自定义模块,让用户或去调用MATLAB内建函数或使用M语言/C语言根据Simulink运行原理编写拥有自定义功能的模块。今天主要介绍用户自定义模块中的Fcn模块、MATLAB Function模块、S函数模块。

1.Fcn模块

Fcn模块是自定义模块里功能最局限的一个模块，只能调用MATLAB内建的数学计算函数,将这个数学运算函数运用于输入信号再加以输出计算值,是直接馈入的模块。Fcn模块拥有1个输入和1个输出端口，表达式内容可能会显示到模块图标上,如图所示。

参数设置

参数说明

Expression:输入计算表达式,可以调用MATLAB数学计算函数,逻辑操作符、
关系比较符、四则运算和常数值。支持的数学计算MATLAB函数有abs , acos
 asin , atan,atan2 ,ceil,cos,cosh、 exp、fabs、 floor 、
 hypot , In 、 log、 log10、 pow , power , rem、 sgn , sin 、
 sinh 、 sqrt , tan 和tanh。输人信号使用u表示﹐当输入信号为多维时
 从上到下输入信号每个维的元素依次为u( 1) ,u(2)，…。

示例1

仿真图

参数设置

示波器输出

2.MATLAB Function模块

MATLAB Function是一个支持使用M语言编写模块功能,并能够将所编写的M语言生成C代码，用于开发桌面应用和嵌入式应用的模块。它支持的 MATLAB内建函数比 Fcn模块要广泛，除去基本的四则运算、逻辑操作符和关系操作符，还可以调用MATLAB各种工具箱里提供的内建函数，包括支持代码生成和不支持代码生成两个类型。此模块的特殊之处在于双击之后打开的不是参数对话框,而是一个M代码编辑窗，在这里编写M代码描述输出y与输入u之间的关系。模块拥有1个输入端口u和1个输出端口y。MATLAB Function的模块的图标上绘制一个MATLAB logo图案,如图所示。

模块是否有输入输出端口取决于内部M函数的定义方式。

（1）没有输出

（2）没有输入

根据Simulink的运行机制,每个采样点会调用一次MATLAB Function的函数,两次调用之间,同一个变量的前次计算的终值如何传递到当前计算周期来是个问题,可以使用persistent 变量实现函数退出和进入时内部变量值的保持。

例如使用MATLAB Function编写一个能够累积输人值作为输出的模块-─累加模块。计算累加值需要一个状态变量,在每次调用fcn 时依据上一次的值进行累加,并将累加值存储在这个变量中。使用persistent声明这个变量可以实现此目的。persistent变量是定义在某个函数内的变量类型,可在函数调用的不同次数间保持上一次退出该函数的值。它同global全局变量的类似之处在于MATLAB为它们创建永久数据区域,不同之处在于它只能被声明它的函数内部识别,目的是免除此变量被其他函数或命令行修改值而造成用户无法确保其值的困扰。声明persistent变量时它刚刚被创建,还不具有初始值,其内容为空值[],调用声明persistent变量的函数时先判断persistent变量是否为空,如果是空则初始化为0 ,非空则直接使用,它们会记得上次被调用后的值。具体代码如下:

function  y = fcn(u)
%% u 是模块的输入
% y 是模块的输出
%函数功能：实现对输入的累加
persistent sum_total  % 函数内部声明 可持续类型变量 sum_total
% 首先要判断persistent声明的变量是否是空
if isempty(sum_total)
    sum_total  = 0;
end
sum_total = sum_total +u; %进行累加
y = sum_total;

仿真图

将Clock模块的信号输入MATLAB Function模块并使用Scope模块接收y端口的输出值,解算器设置为固定步长,值为1 ,仿真结果如图所示。

设置步长为1

示波器输出

经过10 s共11个采样点后，结果累加到55,等同于sum([0 : 10])。使用persistent变量时需要注意:

（1）persistent变量不能作为函数的输入输出参数﹐否则会报错。
（2）persistent变量不能同当前工作空间中已经存在的变量同名，否则会
     报错。
（3）persistent变量不能声明在Command Window （命令窗口）里,必须在
    函数内声明。

MATLAB Function模块支持在M编辑器内部定义子函数并调用,但是不支持递归调用。MATLAB Function可以将MATLAB内建函数编写的M函数生成C代码,如 sum,length , sqrt等(支持代码生成的M函数详细列表请搜索MATLAB自带 Help文档的Func-tions Supported for C/C+＋Code Generation — Alphabetical List.),使用不支持代码生成功能的MATLAB内建函数时,如绘图函数系列 plot , patch , bar和 figure等,需使用eml. extrinsic( 'plot ' , 'bar')来声明为Extrinsic函数,启动仿真后这些函数只用来仿真,不进行编译，从而不生成可独立运行的C/C＋＋代码及可执行文件。

Extrinsic函数

Extrinsic函数的处理方式

模型进行仿真时,MATLAB生成调用Extrinsic函数的代码,但是不生成可执行代
码,仅保证这些函数能够在MATLAB环境下执行。模块生成代码时,MATLAB会判
断Extrinsic函数是否对调用它们的函数输出值有影响,如果有则产生编译器错
误,如果没有影响,则对声明为Extrinsic函数以外的函数进行代码生成,而忽略
此Extrinsic函数。

Simulink 的 Scope只能显示线条图像，目前的版本还不支持3-D绘图,不能像MATLAB那样提供各种功能强大的绘图功能。可使用MATLAB Function模块自定义一个模块绘制3-D图像。结合Extrinsic函数声明和Persistent变量的使用,可以在MATLAB Function模块中调用绘图函数绘图,并将每次从 Simulink模型获取的输入保存起来,如下所示例程:

function  fcn(u)
%% 绘制三维图形
eml.extrinsic('plot3','scatter3','delete','close');%声明不能生成c代码的函数
len = length(u);%计算输入的长度
persistent data  %声明持续性变量
if isempty(data) %判断持续性变量是否是空值
    data = zeros(3,100000);%初始化
end
persistent n  %声明采样数据次数的持续性变量 n
if isempty(n)
    n = 1;
else
    n = n +1;
end
data(:,n) = u;%存储输入的数据 3*n  每列数据是一个三维坐标(x,y,z)
persistent  h  
if isempty(h)
    h = plot3(data(1,:),data(2,:),data(3,:),'bo');
else
    delete(h);%每个采样时刻重新绘制图像以达到动态刷新的效果
     h = plot3(data(1,:),data(2,:),data(3,:),'bo');
end

模型建立时使用Clock模块, Fcn模块和Mux模块构成正弦、余弦和时间量3维输入。运行模型之后,会动态地绘制出每个采样时刻计算的值到坐标轴中,构成逐步上升的螺旋3-D图形，如图所示。

仿真图

产生的三维图形结果

3.S函数模块

S函数是Simulink中的System function，是用来描述一个模块特征及内涵的函数，支持M,C等多种语言。当Simulink 默认提供的模块不能够满足用户需求时,用户可以通过S函数自己定义一个模块,来实现自定义的算法或动作。S函数能够扩展Simulink模块,为满足用户需求提供了无限的可能。Simulink提供的S函数相关的模块如图所示。

S函数具有不同的等级(Level),支持不同的语言编写,也能通过模块的参数配置自动生成S函数,具体原理和使用方法会在后面单独详细介绍“S函数”。

参考内容

[1] 博客园作者叮叮当当sunny的文章《Simulink仿真入门到精通（二） Simulink模块 》，文章链接如下：https://www.cnblogs.com/dingdangsunny/p/12235689.html#_label0

[2] 孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

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作 者 | 郭志龙
编 辑 | 郭志龙
校 对 | 郭志龙